大尺寸TFT-LCD的LED背光技術(shù)

摘要： 傳統(tǒng)的薄膜晶體管液晶顯示器（ thin film transister crystal display,TFT- LCD） 通常采用冷陰極熒光燈（ cold cathode fluorescent lamps,CCFL） 作為背光光源。相比較而言， 由于發(fā)光二極管（ LED） TFT- LCD 背光源系統(tǒng)具有色彩還原性好、對比度高、亮度高等優(yōu)點， 近年來應用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技術(shù)取得了長足的進步。當前應用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光源主要有兩種： RGB LED 背光源和白光LED 背光源。大尺寸的LED 背光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用直下式和側(cè)式結(jié)構(gòu)。本文將對這幾方面進行系統(tǒng)闡述， 并對大尺寸TFT- LCD 的LED 背光系統(tǒng)的應用前景進行預測。

1 前言

LCD 是被動發(fā)光器件， 本身是不發(fā)光的， 因此必須要有背光模塊給LCD 提供光源。用來作為背光模塊的光源有以下幾種：

（1）冷陰極熒光燈；

（2）LED 背光；

（3）電致發(fā)光背光。

其中， EL 背光系統(tǒng)由于在工作過程中亮度會逐漸衰減， 限制了它的運用， 現(xiàn)在主要用于中小型的LCD上。CCFL 背光系統(tǒng)由于其體積小、壽命長、亮度高和工作電流低等優(yōu)點， 是當前LCD 背光系統(tǒng)的主要選擇；LED 背光系統(tǒng)則由于發(fā)光功率比較低， 長期以來只能應用在小尺寸的LCD 當中。然而， 由于LED 背光系統(tǒng)本身具有CCFL 無法比擬的優(yōu)點， 比如： 色彩還原好、省電、壽命長； 另外由于LED 背光不含汞蒸汽， 對環(huán)境的污染也少， 加上大功率LED 的出現(xiàn)， 使LED 背光成為最近顯示界的一個熱門研究課題， 尤其是LED 背光的色彩還原性， 文獻報道稱其可以達到NTSC 的105%，而一般的CCFL 背光則只能達到NTSC 的70%, 如圖1 所示。

圖1 LED 和CCFL 的色域圖

因此利用LED 作為LCD 的背光， 色彩將更加鮮艷。鑒于LED 背光技術(shù)的諸多優(yōu)點， 在過去的幾年中，已經(jīng)有許多公司和研究機構(gòu)報道了各種高亮度的LED應用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技術(shù)。

2 LED 背光技術(shù)

LED 背光技術(shù)主要分為直下式背光結(jié)構(gòu)和側(cè)式背光結(jié)構(gòu)兩種， 直下式背光由許多LED 均勻分布在顯示區(qū)域后面， 加上反射腔和擴散膜等共同作用， 得到亮度均勻的平面發(fā)光效果； 側(cè)式背光則由多個LED 排成一排形成線光源， 經(jīng)過導光體、反射膜、擴散膜形成均勻發(fā)光面。以前由于單個LED 的功率比較低， 如果要將LED 用于大尺寸的LCD, 需要很多LED 才能達到要求的亮度。近幾年來， 由于大功率LED 的出現(xiàn)， LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的運用取得了長足的進步， 其中大部分都是采用側(cè)式結(jié)構(gòu)。按照LED 的顏色可以分為RGB LED 背光和白光LED 背光兩種：

（ 1） RGB LED 背光單元是將三基色LED 發(fā)出的光復合產(chǎn)生白光；（ 2） 白光LED 背光單元則直接利用白光LED 產(chǎn)生的白光。

2.1 大功率RGB LED 復合成白光

圖2 是2001 年荷蘭飛利浦照明系統(tǒng)公司開發(fā)的利用RGB 復合成白光的18in 背光系統(tǒng)的示意圖。

圖2 18inTFT- LCD LED 背光模組結(jié)構(gòu)圖

該背光單元中， 上下兩側(cè)有兩列LED（ LEDs A 和LEDs B） , RGB LED 是按照等間隔排列的。RGB LED發(fā)出的光從側(cè)邊經(jīng)過兩個導光腔（ light pipe A、B） 傳播到LCD 面板的底下， 經(jīng)過特征提取（ extractionfeatures A 和B） 以及散射膜（ diffusor sheet） 得到均勻白光。

同年， 日本Hideyo Ohtsuki 和荷蘭LumiledsLighting 公司利用大功率RGB LED 加上高滲透型的彩膜（ color filter） 開發(fā)出應用于18.1in XGATFT- LCD的背光單元， 其色彩還原性和亮度分別達到了95% 和400 cd/m2，之后在2003 年， 荷蘭的這家公司利用34個大功率的RGB LED 作為光源， 采用PMMA 作為混色導光板的材料---這種材料可以使光在導光板傳播過程中的損耗幾乎為0, 開發(fā)出用在15in 的TFT- LCD 的背光系統(tǒng)， 其效率達到50%, 色坐標穩(wěn)定在Δu'v'~0.01, 而且該背光系統(tǒng)很容易改造成適用于10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。